华中科技大学电机学课程设计报告
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华中科技大学电气与电子工程学院—-电机学课程设计报告
一·选题背景
异步电机具有结构简单可靠，维护少，成本低，容量大的优点，所以在其出现后不久 的时间内，几乎取代了所有的不变速直流电机成为最主要的拖动装置。然而在相当长的一 段时期内，异步电动机无法撼动直流电机在可控制可调速拖动领域的地位。异步电机的调 速一直是电机学研究的课题，实现异步电机像直流电机一样具有宽广平滑的调速性能，最 终发挥其优势，取代结构复杂的直流电机是研究异步电机调速课题的目标。随着电力电子 技术的迅速发展，变频调速被视为交流电机最有前途的调速方式。本课程设计就是在这样 的背景下，试图从一个很细微的方面来研究和了解异步电动机的变频调速原理并对设计结 果进行 Matlab 仿真分析,希望对今后的学习和工作有一定的启发和帮助。
图 1.异步电动机能量传递示意图
三·异步电动机调速方法
根据异步电动机的转速公式：
可以把异步电动机的调速方法分为
如下三类：
（1）变频调速：改变电源频率 f1 ； （2）变极调速：改变电机极对数 p ； （3）变转差调速：改变电机的转差率 ； 变极调速只能实现有级调速，并且电机结构会变得复杂，一般实现三级变极调速已经是相
变，电机磁路饱和程度不变，电机过载能力不变，电机在恒转矩变频调速前后性能保持不 变。
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华中科技大学电气与电子工程学院—-电机学课程设计报告
n 课设题目要求将电机转速由 N = 1440 r/min 调到 n = 1000 r/min 。由前述原
理知： ′
,其中相电压 = 220V ，频率 f = 50Hz 。计算得到：
电气与电子工程学院
2010 级
《电机学》课程设计报告
(题目:三相异步电动机变频调速)
姓 名： 学 号： 专业班级： 指导教师 ：
日 期 ： 2013 年 2 月
评 分 ：_
_
华中科技大学电气与电子工程学院—-电机学课程设计报告
目录
一·选题背景 .................................................................................... 3 二·异步电动机能量传递.................................................................. 3 三·异步电动机调速方法.................................................................. 3 四·课程设计目标和要求.................................................................. 4 五·参数的选择和设定 ..................................................................... 4 六·变频调速原理和变频参数确定................................................... 5 七·机械特性 .................................................................................... 6 八·MATLAB 仿真.............................................................................. 7
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华中科技大学电气与电子工程学院—-电机学课程设计报告
图 13.调速前转子电流波形 （4）转矩变化波形
图 14.调速后转子电流波形
图 15.调速前转矩变化波形
图 16.调速后转矩变化波形
4.仿真结果分析
异步电动机恒转矩变频降速后，从图 7~图 10 可以看出，电机起动定子电流明显降低， 但是最后稳定运行时定子电流大小在调速前后不改变。从图 11~12 可以看出，调速目标基 本达到，略有误差，并且降速后电机起动时间更短。从图 13~14 可以看出，异步电机起动 过程中，转子电流不仅幅值变化，频率也是逐渐减小的，降速后起动时转子电流略有减小， 稳定后电流幅值相等。从图 15~16 可以看出，转矩变化是一个波动并最终达到稳定的过程， 由于是恒转矩调速，调速前后转矩的最终稳定值相同，但是降速后达到稳定所需要的时间 较短。
x1σ = x2σ，= 1.30Ω ，xm = 31.6Ω ，Rm = 0Ω ，ki = ke = 0.02 。计算参数： 额定转差率 额定转矩
π
额定电磁转矩:
‘ ‘
，
π
电感 L1σ = L2σ，=
图 2-1.异步电动机等值电路
六·变频调速原理和变频参数确定
由转速公式：
，当异步电动机转差率变化不大时，转速 n 正比于频
四·课程设计目标和要求
一台绕线式异步电动机，Y/y 连接，已知数据为：额定功率 PN = c0 kW，f =
n 50 Hz，2p = c1，Un = 380 V， N = c2 r/min，R1 = R2‘ = c3Ω ，x1σ = x2σ，= c4Ω ，
xm = c5Ω ，ki = ke = 0.02，忽略铁耗。试求： 若维持转轴上的负载为额定转矩，使转速下降到 c6 r/min，采用变频调速
二·异步电动机能量传递
异步电动机的能量（功率）传递如图 1 所示，电动机的电磁功率 Pem、总机械功率 Pmec、 转差功率 Ps（即转子铜耗 pcu2）和转差率 s 之间有如下关系：
因此有：
通常转差功率都会损耗掉，只有极少情况会反馈到电网，因此从能
量的角度异步电机的调速应该尽可能不增大转差，让电机保持原有的低转差运行。
五·参数的选择和设定
选择异步电机额定功率 PN = 10kW，正常工作频率 f = 50 Hz，极对数 p = 2，
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额定电压 Un = 380 V，额定转速 nN = 1440 r/min，设定参数 R1 = R2‘ = 0.48Ω ，
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当困难，因此不是异步电机最好的调速方式。变转差调速目前比较流行也比较易于实现的 方案是调压调速和串电阻调速，这两种方法属于转差功率损耗型调速，从异步电机能量传 递分析可知，转差率 s 增大（转速降低），转差功率会大大增加，电机损耗也会大大增加， 因此也不是最经济的调速方式。变频调速可以做到不改变电机性能，实现无级调速，并且 在各种调速方法中效率最高，因此被视为可以与直流电机调速相媲美的最有前途的调速方 式。其缺点是变频装置造价过高，这一问题也会随着电力电子技术的发展得到解决。
率 f ，改变电源频率就可以改变电机转速。变频调速时，我们希望电机主磁通Φ m 不变， 由 U1≈E1 = 4.44N1kN1f1Φ m 知，变频时，要使得主磁通不变，则电压要随频率改变。电压 和频率的关系取决于调速的要求。对于本次设计，采用恒压频比的方法即可实现恒转矩调
′
速。通常有：
′ ′
如果
′
,那么主磁通Φ m 不
1.MATLAB 异步电机模型简介 ............................................................. 7 2.仿真参数设置 ................................................................................. 8 3.调速前后仿真波形 ......................................................................... 9 4.仿真结果分析 ............................................................................... 11 九·感悟与收获 .............................................................................. 11 十·参考资料 ..................................................................................... 12
运行得到电机的机械特性曲线：
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图 2-2.异步电动机机械特性 从图 2-2 中可以看出，当转差 s 很小时，转速 n 与电磁转矩 Tem 呈线性关系，且调速前后 直线斜率不变，相当于将固有机械特性曲线下移一定距离。程序中计及 R1 的影响，所以调 速前后最大转矩 Tmax 不相等，也就是说电机的过载能力降低。
方式并计算其参数，做出机械特性图，分析能量的传递。用 Matlab 中的 SIMULINK 设计变频调速仿真模型(其余仿真参数可自行设定)，并仿真调速前 后定子电流与转子转速波形。
c0 = [ 1.1；2.2；3.0；5.0；10.0 ] c1 = [ 2；4；6 ] c2 = [ 2850；1440；890 ] c3 = 0.02 c4 = 0.06 c5 = 3.6 c6 = [2000；1000；500]
图 3.异步电机电气模型
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Vqs = Rsiqs + dφqs/dt + ωφds
其中：
Vds = Rsids + dφds/dt – ωφqs
V'qr = R'ri'qr + dφ'qr/dt + (ω – ωr)φ'dr
图 6.电源参数
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图 7.调速前定子电流波形（1）
图 8.调速后定子电流波形（1）
Hale Waihona Puke Baidu
图 9.调速前定子电流波形（2） （2）转子转速波形
图 10.调速后定子电流波形（2）
图 11.调速前转速波形 （3）转子电流波形（a 相）
图 12.调速后转速波形
八·Matlab 仿真
1.Matlab 异步电机模型简介 异步电机包括电气和机械两大部分部分，电气部分用一个四阶数学模型表示，机械部
分用二阶模型表示。通过坐标变换，电机可以从静止三相坐标系变换到旋转坐标系，把异 步电机转子参数折算到定子侧，异步电机的电气特性可以用图 3 来表示，并列出其电气方 程：
′
七·机械特性
异步电机固有机械特性方程：
‘
‘
π
，
其中转速和转差的关系：
，x1σ = x2σ，= π L1σ 。我们就 f 、U1 取
额定值和调速后的值做出电机的固有机械特性和人工机械特性曲线。 代码如下：
s=0.00001:0.0005:1; p=2;m1=3;U1=220; f1=50; R1=0.48;R2=0.48; L1=0.00207;L2=0.00207; x1=2.*pi.*f1.*L1;x2=2.*pi.*f1.*L2; Tem1=p.*m1.*U1.^2.*R2./s./(2.*pi.*f1.*((R1+R2./s).^2+(x1+x2).^2)); n=30*f1*(1-s); plot(Tem1,n);hold on %调速前 uu1=152.78;ff1=34.72; xx1=2.*pi.*ff1.*L1;xx2=2.*pi.*ff1.*L2; Tem2=p.*m1.*uu1.^2.*R2./s./(2.*pi.*ff1.*((R1+R2./s).^2+(xx1+xx2).^2)); nn=30*ff1*(1-s); plot(Tem2,nn); %调速后 xlabel('电磁转矩Tem/N*m'); ylabel('转速/r/min');
V'dr = R'ri'dr + dφ'dr/dt – (ω – ωr)φ'qr
Te = 1.5p(φdsiqs – φqsids)
V、i 分别表示电压和电流，R、L 表示电阻、电感，下表 s 表示定子，r 表示转子，m 表示 励磁回路。
异步电机的机械特性用转子运动方程来描述：
式中，θ m 表示电气角度，ω m 表示角速度，F 表示摩擦系数，H 表示转动惯量。
2.仿真参数设置 （1）搭建仿真模块
（2）电机参数设定
图 4.异步电动机调速仿真模块
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图 5.仿真电机参数 （3）电源参数设定，如图 4，三相交流电源 Y 接，依次滞后 120 度相角.
3.调速前后仿真波形 （1）定子电流波形（A 相）
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一·选题背景
异步电机具有结构简单可靠，维护少，成本低，容量大的优点，所以在其出现后不久 的时间内，几乎取代了所有的不变速直流电机成为最主要的拖动装置。然而在相当长的一 段时期内，异步电动机无法撼动直流电机在可控制可调速拖动领域的地位。异步电机的调 速一直是电机学研究的课题，实现异步电机像直流电机一样具有宽广平滑的调速性能，最 终发挥其优势，取代结构复杂的直流电机是研究异步电机调速课题的目标。随着电力电子 技术的迅速发展，变频调速被视为交流电机最有前途的调速方式。本课程设计就是在这样 的背景下，试图从一个很细微的方面来研究和了解异步电动机的变频调速原理并对设计结 果进行 Matlab 仿真分析,希望对今后的学习和工作有一定的启发和帮助。
图 1.异步电动机能量传递示意图
三·异步电动机调速方法
根据异步电动机的转速公式：
可以把异步电动机的调速方法分为
如下三类：
（1）变频调速：改变电源频率 f1 ； （2）变极调速：改变电机极对数 p ； （3）变转差调速：改变电机的转差率 ； 变极调速只能实现有级调速，并且电机结构会变得复杂，一般实现三级变极调速已经是相
变，电机磁路饱和程度不变，电机过载能力不变，电机在恒转矩变频调速前后性能保持不 变。
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n 课设题目要求将电机转速由 N = 1440 r/min 调到 n = 1000 r/min 。由前述原
理知： ′
,其中相电压 = 220V ，频率 f = 50Hz 。计算得到：
电气与电子工程学院
2010 级
《电机学》课程设计报告
(题目:三相异步电动机变频调速)
姓 名： 学 号： 专业班级： 指导教师 ：
日 期 ： 2013 年 2 月
评 分 ：_
_
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目录
一·选题背景 .................................................................................... 3 二·异步电动机能量传递.................................................................. 3 三·异步电动机调速方法.................................................................. 3 四·课程设计目标和要求.................................................................. 4 五·参数的选择和设定 ..................................................................... 4 六·变频调速原理和变频参数确定................................................... 5 七·机械特性 .................................................................................... 6 八·MATLAB 仿真.............................................................................. 7
第 10 页 共 12 页
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图 13.调速前转子电流波形 （4）转矩变化波形
图 14.调速后转子电流波形
图 15.调速前转矩变化波形
图 16.调速后转矩变化波形
4.仿真结果分析
异步电动机恒转矩变频降速后，从图 7~图 10 可以看出，电机起动定子电流明显降低， 但是最后稳定运行时定子电流大小在调速前后不改变。从图 11~12 可以看出，调速目标基 本达到，略有误差，并且降速后电机起动时间更短。从图 13~14 可以看出，异步电机起动 过程中，转子电流不仅幅值变化，频率也是逐渐减小的，降速后起动时转子电流略有减小， 稳定后电流幅值相等。从图 15~16 可以看出，转矩变化是一个波动并最终达到稳定的过程， 由于是恒转矩调速，调速前后转矩的最终稳定值相同，但是降速后达到稳定所需要的时间 较短。
x1σ = x2σ，= 1.30Ω ，xm = 31.6Ω ，Rm = 0Ω ，ki = ke = 0.02 。计算参数： 额定转差率 额定转矩
π
额定电磁转矩:
‘ ‘
，
π
电感 L1σ = L2σ，=
图 2-1.异步电动机等值电路
六·变频调速原理和变频参数确定
由转速公式：
，当异步电动机转差率变化不大时，转速 n 正比于频
四·课程设计目标和要求
一台绕线式异步电动机，Y/y 连接，已知数据为：额定功率 PN = c0 kW，f =
n 50 Hz，2p = c1，Un = 380 V， N = c2 r/min，R1 = R2‘ = c3Ω ，x1σ = x2σ，= c4Ω ，
xm = c5Ω ，ki = ke = 0.02，忽略铁耗。试求： 若维持转轴上的负载为额定转矩，使转速下降到 c6 r/min，采用变频调速
二·异步电动机能量传递
异步电动机的能量（功率）传递如图 1 所示，电动机的电磁功率 Pem、总机械功率 Pmec、 转差功率 Ps（即转子铜耗 pcu2）和转差率 s 之间有如下关系：
因此有：
通常转差功率都会损耗掉，只有极少情况会反馈到电网，因此从能
量的角度异步电机的调速应该尽可能不增大转差，让电机保持原有的低转差运行。
五·参数的选择和设定
选择异步电机额定功率 PN = 10kW，正常工作频率 f = 50 Hz，极对数 p = 2，
第 4 页 共 12 页
华中科技大学电气与电子工程学院—-电机学课程设计报告
额定电压 Un = 380 V，额定转速 nN = 1440 r/min，设定参数 R1 = R2‘ = 0.48Ω ，
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华中科技大学电气与电子工程学院—-电机学课程设计报告
当困难，因此不是异步电机最好的调速方式。变转差调速目前比较流行也比较易于实现的 方案是调压调速和串电阻调速，这两种方法属于转差功率损耗型调速，从异步电机能量传 递分析可知，转差率 s 增大（转速降低），转差功率会大大增加，电机损耗也会大大增加， 因此也不是最经济的调速方式。变频调速可以做到不改变电机性能，实现无级调速，并且 在各种调速方法中效率最高，因此被视为可以与直流电机调速相媲美的最有前途的调速方 式。其缺点是变频装置造价过高，这一问题也会随着电力电子技术的发展得到解决。
率 f ，改变电源频率就可以改变电机转速。变频调速时，我们希望电机主磁通Φ m 不变， 由 U1≈E1 = 4.44N1kN1f1Φ m 知，变频时，要使得主磁通不变，则电压要随频率改变。电压 和频率的关系取决于调速的要求。对于本次设计，采用恒压频比的方法即可实现恒转矩调
′
速。通常有：
′ ′
如果
′
,那么主磁通Φ m 不
1.MATLAB 异步电机模型简介 ............................................................. 7 2.仿真参数设置 ................................................................................. 8 3.调速前后仿真波形 ......................................................................... 9 4.仿真结果分析 ............................................................................... 11 九·感悟与收获 .............................................................................. 11 十·参考资料 ..................................................................................... 12
运行得到电机的机械特性曲线：
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图 2-2.异步电动机机械特性 从图 2-2 中可以看出，当转差 s 很小时，转速 n 与电磁转矩 Tem 呈线性关系，且调速前后 直线斜率不变，相当于将固有机械特性曲线下移一定距离。程序中计及 R1 的影响，所以调 速前后最大转矩 Tmax 不相等，也就是说电机的过载能力降低。
方式并计算其参数，做出机械特性图，分析能量的传递。用 Matlab 中的 SIMULINK 设计变频调速仿真模型(其余仿真参数可自行设定)，并仿真调速前 后定子电流与转子转速波形。
c0 = [ 1.1；2.2；3.0；5.0；10.0 ] c1 = [ 2；4；6 ] c2 = [ 2850；1440；890 ] c3 = 0.02 c4 = 0.06 c5 = 3.6 c6 = [2000；1000；500]
图 3.异步电机电气模型
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Vqs = Rsiqs + dφqs/dt + ωφds
其中：
Vds = Rsids + dφds/dt – ωφqs
V'qr = R'ri'qr + dφ'qr/dt + (ω – ωr)φ'dr
图 6.电源参数
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图 7.调速前定子电流波形（1）
图 8.调速后定子电流波形（1）
Hale Waihona Puke Baidu
图 9.调速前定子电流波形（2） （2）转子转速波形
图 10.调速后定子电流波形（2）
图 11.调速前转速波形 （3）转子电流波形（a 相）
图 12.调速后转速波形
八·Matlab 仿真
1.Matlab 异步电机模型简介 异步电机包括电气和机械两大部分部分，电气部分用一个四阶数学模型表示，机械部
分用二阶模型表示。通过坐标变换，电机可以从静止三相坐标系变换到旋转坐标系，把异 步电机转子参数折算到定子侧，异步电机的电气特性可以用图 3 来表示，并列出其电气方 程：
′
七·机械特性
异步电机固有机械特性方程：
‘
‘
π
，
其中转速和转差的关系：
，x1σ = x2σ，= π L1σ 。我们就 f 、U1 取
额定值和调速后的值做出电机的固有机械特性和人工机械特性曲线。 代码如下：
s=0.00001:0.0005:1; p=2;m1=3;U1=220; f1=50; R1=0.48;R2=0.48; L1=0.00207;L2=0.00207; x1=2.*pi.*f1.*L1;x2=2.*pi.*f1.*L2; Tem1=p.*m1.*U1.^2.*R2./s./(2.*pi.*f1.*((R1+R2./s).^2+(x1+x2).^2)); n=30*f1*(1-s); plot(Tem1,n);hold on %调速前 uu1=152.78;ff1=34.72; xx1=2.*pi.*ff1.*L1;xx2=2.*pi.*ff1.*L2; Tem2=p.*m1.*uu1.^2.*R2./s./(2.*pi.*ff1.*((R1+R2./s).^2+(xx1+xx2).^2)); nn=30*ff1*(1-s); plot(Tem2,nn); %调速后 xlabel('电磁转矩Tem/N*m'); ylabel('转速/r/min');
V'dr = R'ri'dr + dφ'dr/dt – (ω – ωr)φ'qr
Te = 1.5p(φdsiqs – φqsids)
V、i 分别表示电压和电流，R、L 表示电阻、电感，下表 s 表示定子，r 表示转子，m 表示 励磁回路。
异步电机的机械特性用转子运动方程来描述：
式中，θ m 表示电气角度，ω m 表示角速度，F 表示摩擦系数，H 表示转动惯量。
2.仿真参数设置 （1）搭建仿真模块
（2）电机参数设定
图 4.异步电动机调速仿真模块
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图 5.仿真电机参数 （3）电源参数设定，如图 4，三相交流电源 Y 接，依次滞后 120 度相角.
3.调速前后仿真波形 （1）定子电流波形（A 相）